多路阀阀芯拓扑形态设计的流量数参数模型

为避免多路阀阀芯拓扑形态设计中满足多种复杂载荷条件的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真的庞大计算量,提出了多路阀阀芯拓扑形态设计的流量数参数模型。由于多路阀常处于饱和流量状态,故假设流量系数仅与阀芯拓扑形态和阀芯位移有关,用流量数作为表达节流槽流量控制特性的参数。首先,通过有限变量空间中的CFD仿真样本,运用统计学方法建立不同节流槽结构的流量数参数模型。然后,通过线性叠加得到阀口的流量数参数模型。最后,以20吨级液压挖掘机多路阀为研究对象,使用流量数参数模型实现了一定载荷特征与性能要求下的多路阀节流结构定制化设计。研究结果表明,流量数参数模型对复杂载荷条件下多路阀阀芯拓扑形态设计具有良好的设计精度与简便性。     

一种非平稳随机循环工况下的参数化载荷模型

为解决土方工程机械非平稳随机循环工况下,其零部件设计与试验中载荷表达的难题,提出一种参数化载荷模型.以液压挖掘机多路阀回转联为研究对象,将其阀口压力载荷数据通过小波变换分解为载荷随机项和载荷趋势项;其中具有平稳随机特征的载荷随机项利用功率谱估计等处理实现其"随机项函数"表达,具有非平稳特征的载荷趋势项利用随机变量表征工况的函数拟合实现其"趋势项函数"表达;再将两者组合重构为"循环工况载荷函数".仿真与试验数据对比证明,该函数较好地复现了非平稳随机循环工况下多路阀载荷的随机特征.研究表明构建载荷模型的方法,对于实现面向循环工况特征的非平稳随机载荷的参数化表达,具有工程化应用的重要参考价值.     

面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价

针对开环条件下液压多路阀结构拓扑需满足多种工况下性能复合的流固耦合设计难题,本研究提出了面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价方法.以液压挖掘机多路阀回转联为对象,将阀芯换向过渡过程分为微动、比例调速以及全开口节流3个开启区段.设定其阀芯节流槽结构参数为变量,分别以3个开启区段的性能为评价目标,构建了面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价的多目标优化设计模型.在验证多路阀流场仿真结果与其台架实验结果基本一致的基础上,对上述优化模型计算结果进行仿真.结果表明,优化所得结构拓扑形态对应的稳态综合性能得到明显改善,说明本方法对于此类复杂工况条件下多路阀结构拓扑设计问题具有参考价值.     

面向液压挖掘机电控多路阀的控制系统参数整定

针对传统液压挖掘机多路阀结构与整机性能间的耦合、液压控制系统精度低带来的整机控制不匹配问题,为实现液压挖掘机多路阀简单化设计和整机控制系统自适应变化,提出面对液压挖掘机电控多路阀的控制系统参数整定方法.界定操纵电手柄输出为0-1数字信号,考虑整机多路阀结构特征,设计液压挖掘机电控多路阀的变参数一阶控制系统,提出综合系统冲击、能量利用率、跟随性三项指标作为参数整定的评价算法.通过设计电手柄-控制器-液压挖掘机整机性能表达的数字化平台三者衔接的半物理仿真平台进行试验,分析结果表明:控制系统有效,且控制器响应的一阶控制系统参数T、K可基于整机性能整定得出;时间常数T可由电控多路阀阀芯固有频率和阀芯开度决定,与阀芯阻尼比相关度较小.     

多路阀阀芯节流槽拓扑结构组合的神经网络模型

针对多路阀设计中阀芯节流槽结构的拓扑形态表达和其流固耦合响应的大组合、大自由度解析问题,提出多路阀阀芯节流槽拓扑结构组合的神经网络模型。在利用多路阀动态特性台架实验验证其三维流体解析结果的基础上,将节流槽拓扑结构分类为由半圆槽、U型槽、圆孔等结构的参数化组合构成,通过正交实验法得到各参数组合条件下的多路阀三维流体解析响应,作为反向传播神经网络的训练样本,实现其节流槽拓扑结构组合的神经网络表达;采用进化神经网络优化训练过程的初始权重和阈值,优化后的神经网络能够对非训练样本集合的多路阀三维流体解析响应实现准确预测。研究结果表明,此模型为阀芯节流槽结构设计中拓扑形态表达提供了一种新的思路,对多路阀数字化设计具有实际意义。     

液压挖掘机换向阀微动特性的健壮性评价

针对液压挖掘机换向阀微动性能评价问题,提出采用最小敏感流量系数作为定量化评价微动性能的方法。在先导压力与工作流量同步的条件下,以相对先导压力的工作流量变化梯度为其微动性能评价指标,并在以液压马达表达工作流量变化的前提下构建液压挖掘机换向阀微动的仿真过程,通过与多路阀动态特性实验台架物理实验结果对比来验证其仿真的可靠性;以某型号整机微动性能良好的液压挖掘机多路阀回转联为对象,在其微动初段敏感度与微动末段敏感度之比为7.35的情况下,敏感流量系数的变化具有健壮性。研究结果表明,将最小敏感流量系数作为其微动性能评价指标具有较高的合理性,对阀芯的结构拓扑形态优化设计具有实际意义。     

挖掘机虚拟载荷下换向阀开启过程的液动力分析

为了提高换向阀开启过程的换向性能,以降低该过程的液动力为目标,提出液压挖掘机虚拟载荷下开启过程的阀芯结构形态设计方法:以液压挖掘机整机动态性能试验数据为基础,将其作业的周期性、随机性载荷特征抽象为具有统计特性的虚拟载荷;再以虚拟载荷为边界条件,以降低开启过程阀芯所受液动力为评价标准,分析不同阀芯结构形态的流固耦合动力学响应,探讨换向阀阀芯结构优化设计方法.结果表明,合理等效阀口面积的U型槽结构可有效降低不同虚拟载荷下的阀芯液动力.     

滑移网格法在滑阀三维瞬态流场解析的适用性分析

在滑阀换向过程的三维有限元解析中,由于流固耦合造成其网格大变形,出现三维瞬态流场解析发散的问题.提出了面向滑阀三维瞬态流场解析的滑移网格法,即通过在静止网格与动态网格间用平行滑移网格连接构建三维解析模型,以避免瞬态流场解析中动态网格反复重构所造成的计算发散问题,实现滑阀换向过程的三维瞬态流场解析.研究以某液压挖掘机多路阀回转联为对象,以液压元件动态特性试验台试验结果为基准,对比平稳工况条件下的解析值与实验结果,验证了滑移网格法在滑阀三维瞬态流场解析中的适用性,为建立挖掘机动态载荷与其阀芯结构形态间的动力学映射关系提供了工程化表达路径.     

多路换向阀换向耦合阀口节流结构拓扑设计

为解决多路换向阀换向过渡过程中分流特性所带来的阀口间节流结构耦合作用问题,提出多路换向阀换向耦合阀口节流结构拓扑设计方法。将耦合阀口节流槽结构分类为由U型槽、半圆槽、圆孔槽等结构组成的参数化组合构成,构建出多路换向阀工作口流量与其阀口节流槽结构变量间的函数模型;在验证多路换向阀三维流体解析与其动态特性台架实验结果的基础上,以设定的多路换向阀换向过渡过程工作口流量变化为评价目标,采用粒子群算法求解阀口节流槽结构拓扑设计问题,实现了耦合阀口节流结构响应与换向过渡过程节流特性的较好吻合。研究结果表明,该方法对满足多路换向阀换向过渡特性要求的耦合阀口节流结构拓扑设计具有实际意义。     

多路阀耦合节流槽结构的拓扑变量空间优化

针对多路换向阀换向过程中的多阀口节流耦合作用问题,提出了以圆型、U型以及半圆型3种基本节流拓扑结构的参数为设计变量的多路换向阀耦合节流槽结构设计方法。在确认多路换向阀台架实验结果与三维流场解析响应流量和压力特性基本一致的前提下,建立了多阀口耦合节流工作的数值计算模型;通过拓扑变量空间的正交实验,得到了各阀口不同开度下随面积变化的流量变化趋势、压力峰值、压力损失等的灵敏度;在有限拓扑变量约束条件下,以期望流量变化趋势与能量损失最小化为目标,构建了多路换向阀耦合节流槽结构的拓扑变量空间设计模型。仿真结果表明,设计结果在保留原有流量特性的基础上降低了能量损失,实现了工作阀口节流耦合效应优化,说明该方法可以简化表达此类耦合结构设计问题。     

基于AMESim注塑机负载敏感系统仿真分析

构建了负载敏感系统并介绍了其节能原理,利用AMESim软件建立了仿真模型,对系统恒流时负载压力变化对泵输出流量的影响和负载敏感阀阀芯面积对系统动态性能的影响进行了仿真研究.仿真结果表明:系统恒流时泵的输出流量不受负载压力变化的影响,负载敏感阀阀芯面积对系统的稳定性具有重要影响.     

挖掘机动态性能试验及其数据的小波处理方法

为了找出挖掘机工作时载荷变化规律,用现场试验的方法代替传统的台架试验,并将小波变换理论引入到挖掘机回转工况主泵压力载荷分析中,对现场试验所采集的压力数据进行时频处理.结果表明,与传统的随机理论分析对比,小波分析除了能分离信号的趋势项之外,还可以进一步将随机项按高低频率进行分解,能精细地揭示液压挖掘机的压力频谱结构特征,从而为液压挖掘机液压系统的设计和可靠性分析提供依据.     

泵阀双源协同驱动多执行器系统特性研究

针对工程机械等多执行器复合作业装备中阀控系统节流损失严重、泵控系统装机功率过大的问题,提出一种泵阀双源协同驱动多执行器系统。首先对不同系统能效机理进行理论分析,明确了载荷差异造成阀控系统大量节流损失的根本原因是各执行器驱动腔压力不同。在此基础上,设计了基于所提系统的极低压损控制策略。然后,借助SimulationX仿真软件,建立了37 t液压挖掘机仿真模型,通过试验验证了模型的准确性,并进一步建立了泵阀双源协同驱动和电液流量匹配系统液压挖掘机联合仿真模型。最后,分析对比动臂和铲斗空载复合动作工况下,所提系统与电液流量匹配系统的运行特性和能量特性。结果表明：与电液流量匹配系统相比,所提系统显著改善了重载执行器响应滞后现象,提升了系统运行平稳性,同时大幅降低了载荷差异造成的轻载执行器回路压力损失,整机节流损失和能耗分别降低了67.2%和39.8%。本研究可为降低多执行器复合作业装备节流损失提供全新的解决方案。     

基于AMESim的多路阀压力补偿动态仿真及试验

负载敏感多路阀可以使多个执行器在变压力和速度情况下工作互不干扰,传统多路阀操纵稳定性能较差,自主研发产品不具有抗流量饱和特性。文中通过对负载敏感多路阀的结构及其压力补偿阀工作原理的分析,在AMEsim软件建立了负载敏感多路阀系统并进行动态仿真。分析多个运动机构在负载变化时系统稳定性及压力、流量等变化情况,针对三重U型叠加槽的多路阀进行了流量微动特性相关的试验研究,这为负载敏感多路阀系统设计及优化提供了一定的理论依据。     

一种压力补偿阀的建模及稳定性分析

分析了一种具有负载传感功能的压力补偿阀芯的受力情况.对腔内流体运用动量守恒定理建立数学模型,并利用泰勒级数展开式使其线性化.建立阀芯的运动微分方程,由Routh Hurwitz稳定判据给出了稳定条件,并分析了特征参数对阀性能的影响.数值模拟阀腔内流体流动的结果表明：阀腔底部区域的压力可以看作是一个恒定值,而不是位移的函数.集成运用Visual Basic和Matlab分析了压力流量增益系数、动量变化等对稳定性的影响.仿真和实验结果表明,若使液压系统实现全功率平稳控制,则需要合理选用弹簧刚度和合理设计补偿阀口的开口幅度.     

面向液压滑阀卡滞问题的健壮性设计

为了解决由黏性发热引起的液压滑阀卡滞问题,综合液压滑阀结构的流固热耦合解析与多学科优化基础,提出面向液压滑阀卡滞问题的健壮性设计方法.即采取顺序耦合分析方式,在液压滑阀结构流固热耦合下,通过流体有限元获得阀芯变形引起液压滑阀卡滞的敏感因子,且以响应面函数模型表达阀芯变形与敏感因子之间的函数关系;对于外界随机变化因子,应用6σ法则优化可设计因子来减小随机因子对性能的影响,并以蒙特卡罗随机分析方法验证设计后阀芯变形对外界因子随机变化的健壮性.解析实例表明,阀芯结构、滑阀开度、负载流量和介质温度是引起液压滑阀卡滞的敏感性因素,健壮性设计方法在滑阀卡滞多因子复杂设计问题中明显优于传统设计方法.     

盾构机刀盘回转系统恒功率自适应控制

为提高盾构机刀盘回转系统的工作效率和系统稳定性,采用简化刀盘回转液压系统模型,建立刀盘回转液压系统数学模型.分析了刀盘回转载荷,确定了液压系统负载扭矩计算模型.采用变论域方法建立基于变论域模糊PID的刀盘回转液压系统自适应控制算法.对刀盘扭矩施加线性变载荷和随机载荷进行控制系统的仿真实例研究.研究结果表明:在掘进系统刀盘扭矩增加时,所提出的控制系统可随时调整刀盘旋转速度以实现系统总功率的平衡,并可降低刀盘转速调整过程的超调量和调整时间.研究结论为盾构机刀盘回转液压系统的设计和改进提供了理论依据.     

液压伺服阀阀芯的动态特性分析与多目标优化

为了提高液压伺服阀的动态响应特性,对液压伺服阀的阀芯结构进行了多目标优化研究,建立了阀芯结构参数与作用力之间的数学模型。以阀芯动态响应的超调量、振荡次数和上升时间作为优化目标,以阀芯的优化结构参数作为设计变量,数学地描述了阀芯动态特性多目标优化问题。分别采用NSGA-Ⅱ、SPEA2两种多目标进化算法与Simulink相结合对阀芯进行优化,评估了两种多目标进化算法的表现,得到了阀芯的最优设计参数。采用CFD、Simulink仿真验证了优化效果,结果表明：对应液压伺服阀入口压力工况为7、14、21 MPa时,作用在优化后阀芯上的稳态液动力相比优化前下降了37.10%、34.39%、30.53%;优化后的上升时间平均降低了3.77 ms,平均改善了61.74%;优化后的超调量平均改善了9.41%。     

基于刚柔耦合的挖掘机工作装置关节摩擦副动力学分析

针对液压挖掘机工作装置关节摩擦副摩擦磨损问题,运用假设模态法及拉格朗日运动法建立了挖掘机工作装置刚柔耦合动力学模型,并分别基于刚体以及刚柔耦合模型下对工作装置进行动力学分析,得到3个重要关节的载荷变化曲线,进而基于联合仿真对动臂-底座关节摩擦副端面进行动态应力对比分析.结果表明,基于刚柔耦合的动力学分析更加贴近实际情况.挖掘机的回转过程中关节摩擦副会产生剧烈的交变载荷,摩擦副端面接触压力区域分布于外圈边缘,并随着工作装置的运行沿外圈移动.所得结论为挖掘机的关节摩擦副设计优化提供更加准确的依据.     

混合动力挖掘机回转制动能量回收系统建模与试验研究

为了回收液压挖掘机回转阶段的制动能量,对挖掘机典型作业工况及能耗进行分析,设计一种以液压马达+电机为回收方式、超级电容为储能元件的回转制动能量回收方案。构建回转制动能量回收系统中发动机、电机、回收马达、超级电容等关键元件数学模型,在对回转运动状态确认与能量回收模式切换、回收电机力矩输出控制和超级电容SOC判断的基础上,建立能量回收系统的仿真模型,以挖掘机实际载荷谱为输入对系统能量回收效果进行仿真分析。搭建挖掘机回转制动能量回收系统试验平台,对该试验系统的能量回收效果和回转驱动性能进行试验研究。研究结果表明:该能量回收方案可行,在不影响挖掘机回转驱动性能的同时,平台回转制动能量回收效率可达到40%以上。